【安防知识网】视频压缩标准和演进历史

　　在视频监控历史上，曾先后有多种视频压缩标准。如图1所示，由国际电信联盟ITU定义的专用于低比特率视频电话的标准，包括H.261/2/3;由国际标准化组织ISO针对消费类应用的，对运动图像压缩定义了MPEG标准，包括MPEG1/2/4;由ITU与ISO根据目标应用合作(联合视频小组JVT)定义了H.264编解码技术，有些标准至今仍并存着。图1简要说明了视频编解码标准的发展历程。

　　MPEG1和MPEG2是早期使用比较多的标准，现在已基本退出舞台。目前主要在应用中的是M-JPEG，MPEG4及H.264三种，我们通过以下几点对这些标准进行比较。由于MPEG1和MPEG2标准已淡出，在此就不做太多分析。

　　·实现成本：包括算法实现的复杂度和资源占有程度，技术获取的难度和代价，以及其最终体现在产品中的成本高低;

　　·编码性能：主要体现在同等主、客观视觉质量情况下，压缩后所得到的码流大小，这对于网络传输和存储都非常关键;

　　·网络支持：对网络支持的好坏主要取决于对网络丢包和出错的容错能力与支持网络的自适应能力;

　　·应用支持范围：由于视频监控领域的应用需求千变万化，一个平台对不同需求的支持能力也非常重要;

　　·未来潜力：以发展的眼光来看，一个标准的潜力大小体现在未来被行业接受的广泛程度，在相关应用上转化的平滑程度，和对互联互通的支持程度等方面。

　　M-JPEG在实现成本上来说可能是最低。实际上现在有很多视频前端采集芯片都已集成M-JPEG，可直接输出M-JPEG的编码码流，这也是为什么M-JPEG在很多低端产品中仍有应用的主要原因。同时M-JPEG各帧编码是相互独立的，有利于视频编辑等方面的应用，受网络应用中的丢包问题影响较小，但因其远大于其他标准的码流严重影响了它提供高质量网络视频的能力。在其他三个方面，M-JPEG和MPEG4、H.264相比处于明显劣势。随着视频监控市场对视频压缩要求的整体提高和MPEG4、H.264实现成本的持续下降，M-JPEG的市场分额在未来可能会继续降低。

　　MPEG4的实现成本随着方案的成熟这几年来已经下降很多，方案选择余地也相应扩大，从DSP到ASIC均有提供。但在编码性能上较H.264仍有较大差距。MPEG4在制定时对网络环境的支持考虑略显不足，而视频监控领域中网络化时代的到来使得用户对网络支持方面的考虑越来越多，MPEG4的编码效率在一定程度上制约了其对广阔应用环境的支持能力。归根结底，MPEG4从制定之初就决定了其作为过渡性标准的命运，标准委员会之所以要在短时间内再重新制定H.264标准就是为了要代替它。

　　H.264标准从实现成本上来看，目前应该是所有标准中最高的，这和它制定出来时间最晚也有一定的关系，当然其运算复杂度确实要远高于其他标准。但随着H.264在视频监控领域应用的越来越广泛，可看到其实现成本也在不断下降。从编码性能上看，H.264要远优于MPEG4，平均节约39%的传输码流，这可以极大地提高存储设备的效率和网络的利用率。卓越的编码性能决定了H.264有能力支持更加广泛和多变的应用环境，包括对网络环境自适应的能力。从网络支持的角度来看，无论是有线还是无线，网络应用是H.264制定时所针对的一个重要方向之一，其码流的语法定义和不同的编码选项有利于H.264获得不错的容错能力。从全球视频应用市场来看，H.264在诸如电视、3G等领域都已成为主流标准，在视频监控领域也迅速成长为主流标准之一，其取代MEPG4的趋势清晰可见。而随着大规模视频监控网络的建设和互联互通要求的增强，在全球范围内H.264必将成为必须要支持的主流视频标准。

　　表1通过对每个视频标准进行逐项特性打分的方法来给出一个比较直观的比较结果(打分采用5分制方法，0分为最差，5分为最高)。

[nextpage]　　H.264标准应用分析

　　在视频监控产品中，编码器始终是方案的重点，一个合适的编码器方案往往能够决定一个产品的成败。H.264编码方案正在成为市场的主流，其以卓越的编码性能和良好的网络适应性得到了市场的广泛认同。它不仅可以支持宽广的应用环境，还可满足不同分辨率、不同码率以及不同传输和存储环境的需求。采用何种实现方式才能既充分发挥H.264标准本身的优点，又能充分满足未来一段时间视频监控行业的要求呢?

　　视频监控经过十几年的不断进步，到目前已完成从模拟存贮到数字存贮的升级换代，PC式DVR和嵌入式DVR都得到了广泛的应用，且随着网络的普及和带宽的不断改善，视频监控的数字化及网络化正获得越来越多的重视并很有可能在不久的将来成为视频监控的主流应用。另一方面，自9·11以来全球范围对社会公共安全关注度的显著提高，视频监控的规模已和上个世纪不可同日而语。仅以中国为例，得益于政府“3111”工程在全国范围内的广泛开展，而视频监控规模与层次的不断提高也促使其远远超越了初期的监视、存储和回放等基本功能，越来越多的视频智能分析功能被加入到视频监控系统中。为了满足现代视频监控应用的要求，消费者期望可以通过网络以更灵活的方式从更大的范围中获得含有更多信息量的视频信息。

　　新的视频监控要求对视频编解码技术提出了新的挑战，其中视频编码模块作为连接视频前端和监控系统间的极为重要的一环，如何创造性地将整个系统融合贯通，将对提升整个系统的有效性、功能性和产品性价比起到显著的作用。我们认为参考视频监控行业的技术现状和未来发展趋势，对新一代的视频编码器会有如下要求：

　　·支持高分辨率：在未来几年，D1(704×576)将成为必需满足的需求，在某些应用中720P(1280×720)高清甚至也会成为必需。编码器越能够提供高的视频质量，越能够为后端的智能分析提供好的支持;

　　·支持多通道：编码器必须能够灵活切换支持多个编码通道，比如4个D1或16个CIF，并且最好能够是单芯片方案;

　　·高编码效率：编码器最好能够在1Mbps带宽下提供较好的全实时D1编码，H.264标准基本成为必选;

　　·高性价比：作为视频监控系统中的一个重要模块，编码器的性能价格比在任何时候都是一个重要的因素;

　　·高稳定性：在视频监控行业，产品高稳定性始终都是不过分的基本要求;

　　·可编程性：只有具有良好的可编程性，视频编码器才能够及时根据应用需求的改变以极小的代价迅速做出相应的调整;

　　·灵活性：未来对编码器的评估将会越来越着眼于系统层面，编码器能否灵活支持不同应用的系统架构会成为选择系统产品平台时的一个重要考量。比如在系统架构上需要做多大的改变才能使一个方案从支持一路视频升级为支持四路视频。

[nextpage]　　实现H.264编解码方案平台

　　目前业界主要提供有三类实现方案平台。

　　基于DSP方案

　　目前的视频监控行业，基于DSP的H.264编码器解决方案占有绝对优势的市场份额，这是由DSP方案开发周期相对较短的特性决定的。在ASIC或FPGA方案仍处于研发阶段时，DSP方案已捷足先登，并较好地解决了视频监控行业中H.264编码器方案从无到有的过程，为H.264在监控应用中走向成熟立下了汗马功劳。但是由于DSP运算能力本身的制约，考虑到H.264标准实现的高复杂度，要达到未来对编码器高性价比的要求，DSP方案会非常困难。同时，虽然DSP方案具有非常好的可编程性能，但由于其硬件接口和架构均已固定，很难满足产品架构灵活性的要求，也相对增加了灵活提供对多通道编码支持的实现难度。

　　基于ASIC方案

　　在目前阶段基于ASIC的H.264编码成熟方案在监控领域的应用还相对较少，这和芯片设计研发周期较长，成本较高的特点紧密相关。ASIC方案的最大优势就是一旦量产后，成本和其他方案相比将非常低廉，同时由于是硬件编码实现，通常可以较容易满足行业对高编码性能的要求。同时一款成熟的ASIC芯片和DSP实现方案相比通常具有更高的稳定性。但其最大的缺陷是一旦定型后，所有的设计、实现方法、接口等均较难变更，基本上不可能满足客户在可编程性，架构灵活性等方面的需求，而其低成本的优势必须要在较高出货量的基础上才可能得到充分的体现。监控市场相对多变的客户需求则使得建立在ASIC平台上的产品方案在未来有着更大的产品不确定性和市场风险。

　　基于FPGA方案

　　FPGA作为一个可编程的硬件逻辑实现平台很好地融合了DSP架构的可编程可升级性和ASIC架构的由硬件实现方式而带来的高编码性能。FGPA方案的灵活性不仅仅体现在具有和DSP平台一样的可编程性和可升级性，而且还体现在可以提供更高的系统架构上的灵活性。以Xilinx Spartan 3 系列芯片为例，首先提供了不同规格能力的芯片选择，其次对于同一规格的芯片又提供了不同的封装，以提供不同的管脚数目的选择，同时，每一款FPGA芯片其管脚都可以根据用户的要求重新定义功能，提供非常灵活的接口控制。通过和系统设计的有效配合，基于FPGA的方案有可能大幅降低产品的BOM成本。FPGA这种架构上的灵活性非常有利于采用同一个H.264编码内核灵活支持不同应用、不同规格的产品方向。同时架构上的灵活性使得设计者可以充分发挥创造性，开发出个性化风格的产品，这是基于DSP或ASIC的方案难以做到的。

　　FPGA方案与前两种方案相比，其结合DSP方案和ASIC方案的部分优势，弥补一些固有不足。如FGPA方案的可编程可升级性能大大降低了系统集成商在选用ASIC芯片方案时可能会遇到的一些后期风险，同时FPGA接近ASIC的强运算能力则有效弥补了DSP方案在编码性能上的瓶颈。另一方面，FPGA类似于ASIC的实现方式也使得FPGA平台有可能提供比DSP方案更高的产品稳定性。

　　FPGA方案从产品角度来考量的话，最主要的难度是如何既考虑到产品的成本需要，又考虑其性能需求，为市场提供高性价比的编码解决方案。也就是说，开发者必须选择一个低成本FPGA平台，比如Xilinx的Spartan 3/3A系列，同时在其上完成满足要求的高性能编码。这是一个开发难度颇高的工作，在全球范围内也没有几家公司具有这样的研发实力，这也是为什么目前市场上基于FPGA平台的H.264编码解决方案屈指可数的原因，但从FPGA的各种特性以及视频监控市场的需求特点来考虑，一旦其产品成本在市场上具有较好竞争力的话，FPGA方案应该是在上述三种方案中最符合未来编码器需求和最适合系统厂商产品开发的方案。而随着FPGA芯片提供商在消费电子领域内的不断努力，FPGA方案的产品成本正变得越来越具有竞争力。以DVMicro在Xilinx Spartan 3A DSP 3400 芯片上所开发的多路D1编码方案为例，其每通道产品成本已低于目前的DSP方案，同时却提供了比DSP方案明显改善的视频编码性能。

　　目前市场上针对以上三种产品平台的都已有成熟的编码器方案，其中基于DSP的主要是TI的DM642和DAVINCI媒体处理器，以及NXP的PNX15xx和PNX17xx。基于ASIC方案的相对较少，主要用的比较多的是海思的HI3510。基于FPGA的目前主要是XILINX SPARTAN 3A DSP 3400采用DVMICRO 硬件 IP 核提供的编码器方案。

[nextpage]　　结语

　　由于目前国内有些厂家并不是采用真正的H.264编解码标准，因此也遇到很多问题。如某些公司的硬件H.264编解码技术采用符合国际标准组织的H.264 标准(baseline profile)，其输出是完全符合国际标准H.264 标准码流，用户在解码端可以自由选择任何H.264标准解码设备，并和编码设备形成一个开放系统。反之，如果编码设备输出的是自定义的，不符合H.264标准的码流，用户在解码端就失去了自由选择的权力，只能被迫绑定编码设备商提供的解码设备，这就形成一个封闭系统。

　　相信符合H.264标准的开放系统会对用户产生巨大的影响和丰厚的利益。举例来说，有些监控设备虽然对外宣传是H.264技术(请注意，是H.264技术，但输出并不完全符合H.264标准的码流)，但他们的码流不能被标准的H.264解码器解码回放。

　　H.264是先进的视频处理技术，业内人士公认，在同样的视频回放质量条件下，H.264比MPEG4约节省近40%的传输带宽或硬盘存储空间，这无疑为远程监控的推广应用起到很重要的作用。但H.264的编码效率是以其远较MPEG4复杂的运算量为代价的，其采用最先进的祯间预测模式，包括复杂的运动估计、1/2和1/4像素预测;远较MPEG4先进的祯内预测模式，包括多达13种祯内预测模式;H.264引进全新的环路滤波(in-loop filtering)技术，对视频回放质量的大幅提高贡献巨大。

　　应用上述的新技术均需要大量的运算处理，对视频编解码处理平台也提出了新的要求。对软件形式的视频编解码器，如用DSP等通用处理器实现的编解码器，因处理能力的限制，只能舍弃很多H.264的最先进技术(如祯内，间编码预测模式，环路滤波等)，这样的结果是其编码效果回复到MPEG4的水平。更严重的是这样的编码器输出的码流不符合H.264标准，所有通用解码器均不能与其配套组成开放的系统。选用非标准的编码器，用户只能限制选用与其配套的非标准解码器，从而变成了一个封闭的系统。